(57)【要約】【課題】燃料電池内の乾燥度合をより的確に把握する。【解決手段】燃料電池２のインピーダンスを算出し、このインピーダンスから、高周波領域におけるインピーダンスである高周波インピーダンス、および低周波領域におけるインピーダンスである低周波インピーダンスを抽出し、低周波インピーダンスから高周波インピーダンスを減算することで、差分インピーダンスを算出するインピーダンス算出部７４と、高周波インピーダンスを用いて電解質膜の含水量を算出し、差分インピーダンスを用いて触媒層の含水量を算出する含水量算出部７５と、触媒層の含水量が所定含水量よりも少ない場合に、触媒層の含水量を増加させる含水量回復処理を実行する含水量制御部７６と、を備える。【選択図】図１
2010165463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面を一対の触媒層で挟んだ膜−電極接合体を有し、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
第１の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスであって前記電解質膜の抵抗に対応する第１のインピーダンス、および前記第１の周波数領域よりも低周波の領域である第２の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスである第２のインピーダンスをそれぞれ算出するインピーダンス算出部と、
前記第２のインピーダンスと前記第１のインピーダンスとの差である差分インピーダンスを用いて、前記燃料電池の含水量を算出する含水量算出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記含水量算出手段は、前記差分インピーダンスを用いて、前記触媒層の含水量を算出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記含水量算出手段によって算出された前記触媒層の含水量が、前記触媒層の乾燥を予防するために設けられた所定含水量よりも少ない場合に、前記触媒層の含水量を増加させる含水量回復処理を実行する含水量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、前記膜−電極接合体を含む単セルを複数有し、
前記インピーダンス算出部は、前記単セルごとに、前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出し、
前記含水量算出手段は、前記単セルごとの前記差分インピーダンスを用いて、前記単セルごとの前記触媒層の含水量を算出し、
前記含水量制御手段は、前記単セルごとの前記触媒層の含水量のうち、少なくともいずれか一の含水量が前記所定含水量よりも少ない場合に、前記含水量回復処理を実行することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記インピーダンス算出部は、前記単セルの面を分割して設けた分割領域ごとに、前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出し、当該分割領域ごとの前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを用いて、前記単セルごとの前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の内部抵抗は、燃料電池の電解質膜の乾燥度合に影響することが知られている。具体的には、燃料電池内の含水量が不足して電解質膜が乾燥すると（いわゆるドライアップ）、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。燃料電池を効率良く運転させるためには、燃料電池内の含水量を最適に制御する必要がある。燃料電池内の含水量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があるため、例えば交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池内の含水量を把握することができる。下記特許文献１には、燃料電池の出力信号に高周波信号と低周波信号とを重畳して燃料電池のインピーダンスを測定した後、このインピーダンスから抽出した高周波領域のインピーダンスと低周波領域のインピーダンスとを用いてドライアップを判定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電解質膜の外側両面には触媒層がそれぞれ積層されているため、ドライアップが進行する場合には、電解質膜よりも外側に位置する触媒層から乾燥が進むことになる。上記従来技術では、電解質膜の含水量等に応じてドライアップを判定しているものの、乾燥の進行が速い触媒層の含水量についてまでは考慮していない。したがって、燃料電池内の乾燥度合をより的確に把握するには改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池内の乾燥度合をより的確に把握することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の両面を一対の触媒層で挟んだ膜−電極接合体を有し、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、第１の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスであって前記電解質膜の抵抗に対応する第１のインピーダンス、および前記第１の周波数領域よりも低周波の領域である第２の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスである第２のインピーダンスをそれぞれ算出するインピーダンス算出部と、前記第２のインピーダンスと前記第１のインピーダンスとの差である差分インピーダンスを用いて、前記燃料電池の含水量を算出する含水量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、第１の周波数領域におけるインピーダンスであって燃料電池の電解質膜の抵抗に対応する第１のインピーダンスと、第１の周波数領域よりも低周波領域における第２のインピーダンスとの差である差分インピーダンスを用いて、燃料電池の含水量を算出することができるため、電解質膜よりも外側に位置する部分の抵抗に対応する含水量を算出することができる。これにより、電解質膜よりも乾燥し易い部分の含水量に基づいて燃料電池内の乾燥度合を把握することが可能となる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、上記含水量算出手段は、前記差分インピーダンスを用いて、前記触媒層の含水量を算出することができる。
【０００９】
これにより、電解質膜よりも外側に位置し、電解質膜よりも乾燥し易い触媒層の含水量に基づいて燃料電池内の乾燥度合を把握することが可能となる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、上記含水量算出手段によって算出された前記触媒層の含水量が、前記触媒層の乾燥を予防するために設けられた所定含水量よりも少ない場合に、前記触媒層の含水量を増加させる含水量回復処理を実行する含水量制御手段をさらに備えることができる。
【００１１】
これにより、触媒層が乾燥する前に、触媒層の含水量を増加させることが可能となる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池は、前記膜−電極接合体を含む単セルを複数有し、前記インピーダンス算出部は、前記単セルごとに、前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出し、前記含水量算出手段は、前記単セルごとの前記差分インピーダンスを用いて、前記単セルごとの前記触媒層の含水量を算出し、前記含水量制御手段は、前記単セルごとの前記触媒層の含水量のうち、少なくともいずれか一の含水量が前記所定含水量よりも少ない場合に、前記含水量回復処理を実行することができる。
【００１３】
これにより、単セルごとに触媒層の乾燥状態を把握することができ、一部の単セルの触媒層が乾燥している場合であっても、触媒層の含水量を回復させることが可能となる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、上記インピーダンス算出部は、前記単セルの面を分割して設けた分割領域ごとに、前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出し、当該分割領域ごとの前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを用いて、前記単セルごとの前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出することができる。
【００１５】
これにより、単セル面内の乾燥度合にムラが生じた場合であっても、局所的な乾燥状態を加味した含水量を算出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池の乾燥度合をより的確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】交流インピーダンス法による燃料電池のインピーダンス測定の結果を複素平面に表した図である。
【図３】高周波インピーダンスと差分インピーダンスとから、電解質膜の含水量および触媒層の含水量を算出する過程を説明するための図である。
【図４】燃料電池のスタックにおける単セルの位置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００１９】
まず、図１を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
【００２０】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却系６と、システム全体を統括制御する制御部７とを有する。
【００２１】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、固体高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極（カソード極、アノード極）である触媒層で挟んだＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対の拡散層と、ＭＥＡおよび一対の拡散層をさらに挟む一対のセパレータとを有する。
【００２２】
電解質膜は、含水性をもつ炭化フッ素系や炭化水素系等の高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。触媒層は、電気化学反応を促進する例えば白金や白金合金等の触媒を有している。拡散層は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン繊維を主成分とするカーボンペーパーによって形成される。セパレータの基材は例えばカーボン製であり、これに所定の樹脂を所定量含浸させることによりなるガス不透過のカーボン基複合セパレータとされており、導電性を有する。
【００２３】
このような燃料電池２では、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサＶと、燃料電池の出力電流を検出する電流センサＡとが設けられている。
【００２４】
酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれる空気を圧縮し、圧縮した空気を酸化ガスとして送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための酸化ガス供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路３３とを有する。酸化オフガス排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧弁３４が設けられている。
【００２５】
水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料ガス供給流路としての水素ガス供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素ガス供給流路４１に戻すための燃料循環流路としての水素循環流路４２とを有する。水素ガス供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素ガス供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。
【００２６】
電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、二次電池であるバッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、図示しない各種の補機インバータとを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５４から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。
【００２７】
バッテリ５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ５３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５４に供給する。トラクションモータ５４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。
【００２８】
冷却系６は、冷却水を冷却するラジエータ６１と、冷却水を燃料電池２およびラジエータ６１に循環供給する冷却水流路６２と、冷却水を冷却水流路６２に循環させる冷却水ポンプ６３とを有する。ラジエータ６１には、ラジエータファン６４が設けられている。
【００２９】
制御部７は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を測定し、加速要求値（例えば、トラクションモータ５４等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ５４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４、冷却水ポンプ６３、ラジエータファン６４のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００３０】
制御部７は、物理的には、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリには、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００３１】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの測定結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。以下に、本実施形態の制御部７によって行われる含水量制御処理について説明する。
【００３２】
含水量制御処理を説明する前に、図２を参照して、燃料電池のインピーダンスについて説明する。図２は、一般的な交流インピーダンス法による燃料電池のインピーダンス測定の結果を複素平面に表した図である。図２に示すインピーダンス曲線Ｚは、所定条件のもと、各周波数における燃料電池２のインピーダンスを測定し、周波数変化に伴うインピーダンスの軌跡を複素平面上にプロットしていくことで得られる。
【００３３】
図２に示すＺ１Ｖは高周波である１ＫＨｚ付近における燃料電池２のインピーダンス（以下、「高周波インピーダンス」（第１のインピーダンス）という。）のベクトルを示し、Ｚ２Ｖは低周波である１００Ｈｚ付近における燃料電池２のインピーダンス（以下、「低周波インピーダンス」（第２のインピーダンス）という。）のベクトルを示す。Ｚ２１Ｖは低周波インピーダンスから高周波インピーダンスを減算することで求められる差分インピーダンスのベクトルを示す。
【００３４】
ここで、高周波インピーダンスは、燃料電池２の電解質膜の抵抗値に相当することが知られている。また、図２に示すように、燃料電池２のインピーダンスは、測定周波数が低下するに従って増加していく傾向にある。つまり、高周波インピーダンスに対応する周波数から測定周波数の値を低下させていくと、電解質膜の外側に位置する部分の抵抗値が徐々に加算されていくことになる。本願発明者は、このような原理に基づいて、燃料電池２の電解質膜の抵抗値と、この電解質膜の外側にある触媒層の抵抗値との合算値に相当するインピーダンスを探究したところ、１００Ｈｚ付近における燃料電池２のインピーダンス、つまり低周波インピーダンスが、燃料電池２の電解質膜の抵抗値と触媒層の抵抗値との合算値に相当することを突き止めた。これにより、低周波インピーダンスから高周波インピーダンスを減算して差分インピーダンスを求めることで、燃料電池２の触媒層の抵抗値を把握することが可能となった。なお、電解質膜の抵抗値が電解質膜の含水量に対応付けることができることと同様に、触媒層の抵抗値は触媒層の含水量に対応付けることができる。
【００３５】
したがって、触媒層の抵抗値に対応する含水量を用いて乾燥度合を検知することで、燃料電池内の乾燥度合をより的確に制御することができる。以下に、このような含水量制御処理を実行する制御部７の機能について詳細に説明する。
【００３６】
制御部７は、機能的には、目標電圧決定部７１と、重畳信号生成部７２と、電圧指令信号生成部７３と、インピーダンス算出部７４と、含水量算出部７５と、含水量制御部７６と、を有する。
【００３７】
目標電圧決定部７１は、アクセルペダルセンサ（不図示）等から入力される各センサ信号に基づいて出力目標電圧（例えば３００Ｖなど）を決定し、この出力目標電圧を電圧指令信号生成部７３に出力する。
【００３８】
重畳信号生成部７２は、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号（例えば振幅値２Ｖの特定周波数の正弦波信号）を生成し、このインピーダンス測定用信号を電圧指令信号生成部７３に出力する。このインピーダンス測定用信号には、低周波と高周波の２種類の正弦波信号が含まれる。低周波としては、例えば１００Ｈｚ付近の周波数領域（以下、「低周波領域」という。）が該当し、高周波としては、例えば１ＫＨｚ付近の周波数領域（以下、「高周波領域」という。）が該当する。なお、インピーダンス測定に用いる低周波と高周波のそれぞれの周波数を上記値に限定する必要はない。また、出力目標電圧やインピーダンス測定用信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定することができる。また、インピーダンス測定用信号の振幅値は、重畳信号振幅制御部（不図示）によって適宜変更することができる。
【００３９】
電圧指令信号生成部７３は、出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、電圧指令信号としてＤＣ／ＤＣコンバータ５１に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、入力された電圧指令信号に従って燃料電池２等の電圧制御を行う。
【００４０】
インピーダンス算出部７４は、電圧センサＶによって検出される燃料電池２の出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」という。）および電流センサＡによって検出される燃料電池２の出力電流（以下、「ＦＣ電流」という。）を所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）等を施す。インピーダンス算出部７４は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池２のインピーダンスを算出し、このインピーダンスから高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスを抽出する。インピーダンス算出部７４は、低周波インピーダンスから高周波インピーダンスを減算することで、差分インピーダンスを算出する。インピーダンス算出部７４は、高周波インピーダンス、低周波インピーダンスおよび差分インピーダンスを含水量制御部７６に出力する。
【００４１】
図１に示すインピーダンス算出部７４は、例えば、スタックごと、単セルごと、単セルの面を分割して設けた単セル分割領域ごとに測定したインピーダンスを用いて燃料電池２のインピーダンスを算出することができる。スタックごとにインピーダンスを算出する手順は、上述したインピーダンス算出部７４に記載したとおりである。
【００４２】
単セルごとにインピーダンスを算出する手順について説明する。まず、インピーダンス算出部７４は、単セルごとに、インピーダンスを算出し、これらのインピーダンスからそれぞれ高周波インピーダンスと低周波インピーダンスとを抽出する。続いて、インピーダンス算出部７４は、抽出した高周波インピーダンスごとの総和を算出するとともに、抽出した低周波インピーダンスごとの総和を算出する。これにより、燃料電池２の高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスを算出することができる。
【００４３】
単セル分割領域ごとにインピーダンスを算出する手順について説明する。まず、インピーダンス算出部７４は、単セル分割領域ごとに、インピーダンスを算出し、これらのインピーダンスからそれぞれ高周波インピーダンスと低周波インピーダンスとを抽出する。続いて、インピーダンス算出部７４は、抽出した各高周波インピーダンスと、当該高周波インピーダンスに対応する単セル分割領域の面積との乗算値の総和を単セルごとに算出するとともに、抽出した各低周波インピーダンスと、当該低周波インピーダンスに対応する単セル分割領域の面積との乗算値の総和を単セルごとに算出する。これにより、単セルごとの高周波インピーダンスおよび単セルごとの低周波インピーダンスが算出される。さらに、インピーダンス算出部７４は、単セルごとの高周波インピーダンスの総和と、単セルごとの低周波インピーダンスＺ２の総和を求める。これにより、燃料電池２の高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスを算出することができる。
【００４４】
含水量算出部７５は、高周波インピーダンスを用いて、電解質膜の含水量を算出し、差分インピーダンスを用いて、触媒層の含水量を算出する。ここで、インピーダンス算出部７４が、単セルごとや、単セル分割領域ごとに測定したインピーダンスを用いて燃料電池２のインピーダンスを算出する場合に、含水量算出部７５は、例えば、以下のようにして電解質膜の含水量および触媒層の含水量を算出する。
【００４５】
図３を参照して、具体的に説明する。まず、図３（Ａ）に示すように、インピーダンス算出部７４によって、単セルごとの高周波インピーダンスＺ１と、単セルごとの差分インピーダンスＺ２１とが算出される。続いて、含水量算出部７５は、図３（Ｂ）に示す高周波インピーダンスと電解質膜の含水量との相関関係を示す電解質膜含水量マップＭ１、および差分インピーダンスと触媒層の含水量との相関関係を示す触媒層含水量マップＭ２１を参照して、図３（Ａ）に示す単セルごとの高周波インピーダンスＺ１および単セルごとの差分インピーダンスＺ２１を、図３（Ｃ）に示す電解質膜の含水量Ｈ１および触媒層の含水量Ｈ２１にそれぞれ変換する。これにより、図３（Ｃ）に示す単セルごとの電解質膜の含水量曲線Ｈ１および単セルごとの触媒層の含水量曲線Ｈ２１が得られる。なお、電解質膜含水量マップＭ１および触媒層含水量マップＭ２１は、予め実験等により求められ、マップ記憶部７７（メモリ）に記憶されている。
【００４６】
図1に示す含水量制御部７６は、含水量算出部７５によって算出された触媒層の含水量が、所定含水量よりも少ない場合に、触媒層の含水量を増加させる含水量回復処理を実行する。所定含水量としては、例えば、触媒層の乾燥を予防するために設定される含水量が該当する。
【００４７】
含水量回復処理としては、例えば、以下に挙げる各処理が該当する。コンプレッサ３１の流量を低下させてカソードストイキを低下させるカソードストイキ低下処理。酸化ガス供給流路３２に水分をインジェクションする等して酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿処理。背圧弁３４を調整して酸化ガスの背圧を上昇させる酸化ガス背圧上昇処理。水素ガスの供給量を増加させてアノードストイキを増加させるアノードストイキ増加処理。水素ガスの供給量を減少させてアノードストイキを減少させるアノードストイキ減少処理。ラジエータファン６４を駆動させる等して冷却水の温度を低下させる冷却水温低下処理。冷却水ポンプ６３を駆動させる等して冷却水の流量を増加させる冷却水量増加処理。
【００４８】
ここで、インピーダンス算出部７４が、単セルごとや、単セル分割領域ごとに測定したインピーダンスを用いて燃料電池２のインピーダンスを算出する場合に、含水量制御部７６は、例えば、以下のようにして含水量回復処理の実行の有無を判定する。
【００４９】
含水量制御部７６は、図３（Ｃ）に示す単セルごとの触媒層の含水量曲線Ｈ２１を用いて、単セルごとの触媒層の含水量と、閾値である所定含水量とを比較して、所定含水量よりも少ない触媒層の含水量が存在するか否かを判定する。含水量制御部７６は、所定含水量よりも少ない触媒層の含水量が一つでも存在した場合には、触媒層の含水量を増加させる含水量回復処理を実行する。この含水量回復処理は、所定含水量よりも少ないと判定された単セルの位置（図４参照）に応じて、以下のように実行することができる。
【００５０】
所定含水量よりも少ないと判定された単セルの位置がカソードの入口側である場合（図４のａ領域）には、上述したカソードストイキ低下処理、酸化ガス加湿処理、アノードストイキ増加処理、冷却水入口側温度低下処理のうち、少なくともいずれか一の処理を実行することが有効である。カソードストイキ低下処理を実行することで、酸化ガスによる水の持ち出しを低減させることができる。酸化ガス加湿処理を実行することで、酸化ガスの水分量を増加させることができる。アノードストイキ増加処理を実行することで、カソードの出口側からアノードの入口側に循環してくる水をアノード側からスタック内に戻すことができる。冷却水入口側温度低下処理を実行することで、水が蒸発して持ち出されることを抑制することができる。
【００５１】
所定含水量よりも少ないと判定された単セルの位置がカソードの入口と出口の中央部である場合（図４のｂ領域）には、上述した冷却水量増加処理、冷却水温低下処理のうち、少なくともいずれか一の処理を実行することが有効である。冷却水量増加処理を実行することで、セパレータの熱伝導率を上昇させることができるため、冷却水の冷却能力が上昇して冷却水温を低下させることができ、上述した冷却水温低下処理と同様に、水が蒸発して持ち出されることを抑制することができる。
【００５２】
所定含水量よりも少ないと判定された単セルの位置がカソードの出口側である場合（図４のｃ領域）には、上述したカソードストイキ低下処理、酸化ガス背圧上昇処理、アノードストイキ減少処理、冷却水出口側温度低下処理のうち、少なくともいずれか一の処理を実行することが有効である。酸化ガス背圧上昇処理を実行することで、酸化ガスの圧力を上昇させることができるため、水の持ち出しを抑制することができる。アノードストイキ減少処理を実行することで、アノード側からの水の持ち出しを抑制することができる。冷却水出口側温度低下処理を実行することで、水が蒸発して持ち出されることを抑制することができる。
【００５３】
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の電解質膜の抵抗に相当する高周波インピーダンスＺ１と、燃料電池２の電解質膜および触媒層の抵抗に相当する低周波インピーダンスＺ２との差である差分インピーダンスＺ２１を用いて、燃料電池２の含水量を算出することができるため、電解質膜よりも外側に位置し、電解質膜よりも乾燥し易い触媒層の含水量に基づいて燃料電池内の乾燥度合を把握することができる。これにより、燃料電池内の乾燥度合をより的確に把握することができるようになった。
【００５４】
また、触媒層の含水量が所定含水量よりも少ない場合には、含水量回復処理を実行することができるため、触媒層が乾燥する前に、触媒層の含水量を増加させることができる。
【００５５】
また、インピーダンスを単セルごとに算出し、電解質膜の含水量および触媒層の含水量を単セルごとに算出することができるため、単セルごとに触媒層の乾燥状態を把握することができ、一部の単セルの触媒層が乾燥している場合であっても、触媒層の含水量を回復させることが可能となる。
【００５６】
さらに、インピーダンスを単セル分割領域ごとに算出し、電解質膜の含水量および触媒層の含水量を単セルごとに算出することができるため、単セル面内の乾燥度合にムラが生じた場合であっても、局所的な乾燥状態を加味した含水量を算出することが可能となる。
【００５７】
なお、上述した実施形態における含水量制御部７６は、含水量回復処理を実行する際に、触媒層の含水量が所定含水量よりも少ないことを要件にしているが、含水量回復処理を実行する際の要件は、これに限定されない。例えば、図３（Ａ）に示す差分インピーダンスＺ２１が、所定インピーダンスよりも大きい場合に、含水量回復処理を実行することとしてもよい。所定インピーダンスとしては、例えば、触媒層の乾燥を予防するために設定されるインピーダンスが該当する。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５９】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…冷却系、７…制御部、３１…コンプレッサ、３２…酸化ガス供給流路、３３…酸化オフガス排出流路、３４…背圧弁、４０…水素タンク、４１…水素ガス供給流路、４２…水素循環流路、４３…レギュレータ、４４…水素ポンプ、５１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２…バッテリ、５３…トラクションインバータ、５４…トラクションモータ、６１…ラジエータ、６２…冷却水流路、６３…冷却水ポンプ、６４…ラジエータファン、７１…目標電圧決定部、７２…重畳信号生成部、７３…電圧指令信号生成部、７４…インピーダンス算出部、７５…含水量算出部、７６…含水量制御部、７７…マップ記憶部。
【図１】
2010165463.tif 000003
【図２】
2010165463.tif 000004
【図３】
2010165463.tif 000005
【図４】
2010165463.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月13日(2010.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面を一対の触媒層で挟んだ膜−電極接合体を有し、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
第１の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスであって前記電解質膜の抵抗に対応する第１のインピーダンス、および前記第１の周波数領域よりも低周波の領域である第２の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスであって前記電解質膜の抵抗と前記触媒層の抵抗との合算値に対応する第２のインピーダンスをそれぞれ算出するインピーダンス算出部と、
前記第２のインピーダンスと前記第１のインピーダンスとの差である差分インピーダンスを算出し、予めメモリに記憶された前記差分インピーダンスと前記触媒層の含水量との対応関係を参照して、前記算出した前記差分インピーダンスに対応する前記触媒層の含水量を算出する含水量算出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記含水量算出手段によって算出された前記触媒層の含水量が、前記触媒層の乾燥を予防するために設けられた所定含水量よりも少ない場合に、前記触媒層の含水量を増加させる含水量回復処理を実行する含水量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記膜−電極接合体を含む単セルを複数有し、
前記インピーダンス算出部は、前記単セルごとに、前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出し、
前記含水量算出手段は、前記単セルごとの前記差分インピーダンスを用いて、前記単セルごとの前記触媒層の含水量を算出し、
前記含水量制御手段は、前記単セルごとの前記触媒層の含水量のうち、少なくともいずれか一の含水量が前記所定含水量よりも少ない場合に、前記含水量回復処理を実行することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記インピーダンス算出部は、前記単セルの面を複数の面に分割して設けた分割領域ごとに、前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出し、当該分割領域ごとの前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを用いて、前記単セルごとの前記第１のインピーダンスおよび前記第２のインピーダンスを算出することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。